†
To whom corresponding should be addressed.
Tel : +82-042-866-6239 E-mail : [email protected]
https://doi.org/10.5855/ENERGY.2017.26.3.071
혼합형 안전주입탱크의 압력평형 예측을 위한 열손실 평가
김명준* † ․류성욱*․김재민*․박현식*․이성재*
*한국원자력연구원
(2017년 7월 24일 접수, 2017년 8월 25일 수정, 2017년 8월 30일 채택)
Analysis on Heat Loss of Hybrid Safety Injection Tank to Predict Pressure Equalizing Time
Myoung Jun Kim* † ․Sung Uk Ryu*․Jae Min Kim*․Hyun-Sik Park*․Sung-Jae Yi*
*Korea Atomic Energy Research Institute
(Received 24 July 2017, Revised 25 August 2017, Accepted 30 August 2017) 요 약
피동고압충수용 혼합형 안전주입탱크 (Hybrid SIT)의 압력평형시간은 냉각수 주입시기를 결정하는 주요인자이 다. 한국원자력연구원 (KAERI)에서는 Hybrid SIT에서의 내부 열수력적 거동을 고찰하기 위해 개별효과시험 장치 를 구축하였으며, 다양한 운전조건에서의 압력평형시간에 대한 민감도 시험을 수행하였다. 개별효과시험을 통해 압력평형시간을 결정하는 주요인자들을 도출하였으며, 그 중 증기의 벽면응축 및 냉각재와의 직접접촉응축이 압력 평형시간을 결정하는 주요 현상임을 파악하였다. 본 연구에서는 개별효과 시험결과들을 이용하여 각각의 응축현상 들이 압력평형에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 혼합형 SIT의 압력평형시간을 예측하기 위한 방법론을 제시 하였다.
주요어 : 피동고압충수용 혼합형 안전주입탱크, 압력평형시간, 응축, 열손실
Abstract - In the event of loss of coolant accident (LOCA) and station black out (SBO) in the primary system of a nuclear reactor, the coolant water should be injected to reactor coolant system (RCS) without any intervention of operators or active components. To satisfy the requirements, hybrid safety injection tank (Hybrid SIT) was suggested by Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI). The pressure equalizing time of Hybrid SIT is an important parameter to determine the timing of coolant injection. To predict the pressure equalizing time of the Hybrid SIT, a separate effect test facility was constructed and sensitivity tests were conducted in various conditions. The main parameter determining the pressure equalizing time was obtained from separate effect test (SET) results. The wall of condensation on the inner wall of SIT and direct contact condensation on the water surface affected to the pressure equalizing time very much. In this study, the effect of each condensation phenomena on pressure equalizing time was quantitatively analyzed from results of SET and a prediction method of pressure equalizing time was proposed.
Key words : Hybrid SIT, Pressure equalizing time, Condensation, Heat loss
Fig. 1. Distribution of heat transfer in the Hy-
brid SIT1. 서 론
후쿠시마 원전사고 이후, 원자력 발전소의 안전계통 은 능동안전계통에서 피동안전계통으로 변화하고 있다.
이에 한국원자력연구원에서는 상용원전(APR+: Advan- ced Pressure Reactor+)에 적용할 수 있는 피동안전계 통을 개발함으로써 발전소 정전 사고에서도 발전소를 안전하게 유지시킬 수 있는 안전성 연구를 진행 중이 다. 그 일환으로 피동고압충수용 혼합형 안전주입탱크 (Hybrid SIT) 기술개발이 진행 중이며, 피동고압충수 용 혼합형 SIT는 기존 SIT의 저압 구동 방식과 달리 고압조건에서도 운전이 가능한 계통이다. 피동고압충 수용 Hybrid SIT는 가압기 상부와 안전주입탱크 상부 가 배관으로 연결되어있다. 사고가 발생할 경우, 가압 기의 증기는 Hybrid SIT로 주입이 되면서 가압을 하 게 된다. Hybrid SIT 내부 압력은 원자로용기와 같아 지게 되므로 원자로 용기로 냉각수 주입이 원활하게 된다.
피동고압충수용 Hybrid SIT의 운전조건에 대한 타 당성을 검토하기 위해서 가압기와 SIT의 압력평형시 간을 파악해야 한다. 한국원자력연구원에서는 압력평 형시간을 예측하기 위해서 Hybrid SIT의 개별효과시 험 장치를 구축하였으며, 압력평형시간에 대한 민감도 시험을 수행하였다. 그 결과 SIT 탱크 수위, 배관 길이 그리고 밸브 개도량의 변화에 따라 압력평형시간이 크 게 달라지는 것을 확인하였으며, 탱크 내부에서의 증 기응축현상이 압력평형시간을 결정하는 중요한 인자 임을 파악하였다. 개별효과시험을 통해 증기응축현상 에 대한 상세분석을 수행하였으나, 추후 상용원전에 적용될 Hybrid SIT 내부에서 발생하는 증기응축량을 예측하는데 있어 열손실에 관한 분석이 추가적으로 필요한 실정이다. (1-4)
본 연구에서는 개별효과시험 데이터를 토대로 Hybrid SIT 내부에서 일어나는 열손실을 분석하는 것이다. 내 부열손실 계산은 기존에 잘 알려진 열전달식을 사용하 였으며, Hybrid SIT 내부에서 일어나는 열손실은 탱크 벽면, 냉각수 그리고 압력평형배관으로 구분지어 평가 하였다. 밸브의 개도량이 다른 2 가지 조건에서 계측된 온도, 압력 및 유량을 이용하여 열손실을 정량적으로 계산하였다.
2. Hybrid SIT 내부의 열손실 지배 방정식
압력평형배관 및 Hybrid SIT 내부에서 발생하는 열 손실량을 분석하였다. 여기서 열손실이라 함은 흔히 정의되는 대기로의 열손실뿐만이 아니라 SIT 가압에 기여하지 못하고 구조물이나 냉각수로 전달되는 열량 도 포함된다. 즉, 이러한 관점은 탱크 가압에 직접적 으로 기여하는 응축되지 않은 증기의 엔탈피와 비응 축가스(N 2 )로 전달된 열량을 제외한 모든 열전달량을 열손실로 정의한 것이다. 따라서 열손실을 유발하는 인자는 탱크 벽면, 냉각수 및 압력평형배관 등으로 구 분할 수 있다.
압력평형배관 및 Hybrid SIT 내부에서 발생하는 열 손실량을 분석하기 위해서는 관련 지배방정식을 도출 해야 하며, Fig. 1은 지배방정식 도출을 위한 관련 현 상들을 정리한 것이며, 그림에서의 점선은 검사체적을 의미한다.
식 (1)은 과도 과정에 대한 열역학 제 1법칙을 나타
내며, 과도과정이 진행되는 동안 시간동안 적분하면
식 (2)와 같이 정리된다. 이를 Hybrid SIT에 대해 적용
Fig. 2. Heat loss of Pressure balancing line 하면 검사체적 외부로 나가는 질량이 없고 일 또한 없
으므로 와 는 0이 되므로, 식 (3)과 같이 나타 낼 수 있다.
(1)
(2)
(3) 여기서 는 검사체적 외부로의 열손실을 의미하고,
는 SIT 내부로 들어오는 과열증기의 엔탈피,
은
시간동안 진행되는 과도과정에 대한 SIT 내부의 에너지 변화량을 나타낸다. 탱크 내부의 초기 상태는 가압된 질소(4 MPa)만 존재하는 상태이 고, 최종 상태는 질소와 비응축 증기, 응축수가 존재 하는 상태이므로 이를 고려하면 식 (4)와 같이 최종적 인 Hybrid SIT의 열평형 방정식으로 나타낼 수 있다.
최종적으로 남아있는 비응축 증기의 내부 에너지에 대한 식으로 나타내면, 식 (5)와 같은 형태가 된다. 따 라서 이 식은 탱크 내부의 비응축 증기가 가지고 있는 총 내부에너지를 나타내는 식이 된다. 여기서,
는 비응축 증기를 나타내고, 는 질소,
는 응축수, 는 탱크로 들어온 증기를 나타낸다.
(4)
(5)
Hybrid SIT에서 열손실, 는 크게 두 가지로 나 타낼 수 있다. 첫 번째는 Hybrid SIT 구조물 벽면으로 손실되는 열량과, 두 번째는 초기에 채워져 있는 탱크 하부의 냉각수로 전달되는 열량이다. 따라서 열손실은 식 (6)으로 표현한다.
(6) 혼합형 SIT 벽면으로 전달되는 열량( )의 식은 (7)과 같다. 는 탱크의 재질인 SUS의 비열을 의미하
며
tan 는 탱크 질량을 의미한다. 식 (8)은 냉각수로 전달되는 열량( )을 의미한다.
tan
(7)
(8)
Hybrid SIT의 가압에 기여하는 증기는 가압기로부 터 공급받게 되며, 가압기와 SIT는 압력평형배관(PBL) 으로 연결되어 있다. 따라서, 탱크 내부로 들어오게 되는 증기는 PBL에서의 열손실을 제외한 엔탈피를 가지게 되며, 이는 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다.
(9)
PBL에서 발생하는 열손실은 식 (10)과 같다. 이는 탱크 벽면 SUS에서 발생하는 열량과 같은 식을 이용하 였다.
는 PBL 재질인 SUS의 비열을 의미하며
은 PBL의 SUS 질량을 의미한다.
(10)
3. 계산 결과 및 열손실 분석
3-1. 시험 장치 및 시험조건
Fig. 3은 피동고압충수용 혼합형 안전주입탱크 개
별효과시험 장치의 개념도를 나타내며, 그 구성은 가
압기, 안전주입탱크 그리고 압력평형배관으로 이루어
져있다. 개별효과시험 장치의 길이척도비는 참조원전
(APR+) 대비 1/5이다. 가압기의 지름은 0.4 m, 높이
는 6.895 m이며, 전체 체적은 0.77 m 3 이다. 안전주입
탱크의 지름과 높이는 각각 0.56 m, 3.2 m이며, 전체
체적은 0.716 m 3 이다. 피동고압충수용 혼합형 안전주
입탱크와 가압기를 연결하는 압력평형배관의 내경은
0.01184 m이고, 길이는 31.234 m이다. 배관의 증기
SIT PZR pressure (MPa)
Valve open Temperature (℃) Level (%) Pressure (MPa) (%)
Case A 30 77 4.21 15.51 15
Case B 30 77 4.21 15.51 30
Table 1. Separate effect test condition
Fig. 3. Hybrid SIT facility
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
H eat q uant it y ( k J )
Time (Sec) Q
WallQ
CWQ
PBLFig. 4. Results of heat quantity in Case A 유량을 조절하기 위하여 유량조절밸브를 장착하였으
며, 외기로의 열손실을 최소화하기 위해 배관 및 용기 주변에 단열재로 보온하였다.
Table 1은 개별효과시험의 시험조건을 나타낸다.
개별효과 시험에서는 다양한 조건에서 시험을 수행하 였지만, 본 연구는 Case A와 Case B를 이용하여 열 손실을 분석하였다. Case A와 Case B의 SIT에서 온 도, 압력 그리고 수위는 같은 조건이지만, 압력평형배 관에 장착된 밸브 개도량이 각 15%, 30%의 조건으로 시험을 수행하였다.
3-2. Case A 열손실 분석결과
시험 결과에서 측정된 온도, 압력, 유량과 열손실 지 배방정식을 활용하여 열손실을 분석하였다. Fig. 4는 Case A에서 각 열손실량을 시간에 따라 나타낸 그래프 이다. Q PBL (압력평형배관으로 받는 열량)이 20 초까지
상대적으로 가장 값이 높으며, 그 이후 Q CW (냉각수가 받는 열량)의 비중이 커졌다가, 86 초 이후부터 Q wall
(벽면으로 받는 열량)이 지배적이게 된다. 압력평형시
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10 20 30 40 50 60 70 80
Rat io ( % )
Time (Sec) Q
wallQ
CWQ
PBLFig. 5. Results of heat quantity ratio in Case A
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Hea t qu an ti ty (K J )
Time (Sec) Q
wallQ
CWQ
PBLFig. 6. Results of heat quantity in Case B
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10 20 30 40 50 60 70
Rat io ( % )
Time (Sec) Q
wallQ
CWQ
PBLFig. 7. Results of heat quantity ratio in Case B
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Q
wall( kJ)
Time (Sec) Case A
Case B
Fig. 8. The comparison of case on the heat loss in
wall간까지 총 열손실량은 약 100,000 kJ로 나타났다.
Fig. 5는 탱크 벽면, 냉각수 및 압력평형배관에서의 열손실 비율(Q i /Q sum ×100)을 정리한 것이다. 과도초반 에는 Q CW (냉각수가 받는 열량)이 지배적이지만 기동 밸브 개방 후 400 초가 경과한 시점에서는 Q wall (벽면 으로 받는 열량)이 전체열손실 대비 약 70% 이상의 비율을 차지하는 것을 확인할 수 있다.
3-3. Case B 열손실 분석결과
Fig. 6은 Case B에서 각 열손실량을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 대략 11 초 까지 Q PBL (압력평형배 관으로 받는 열량)이 상대적으로 가장 값이 높으며, 그 이후 Q CW (냉각수가 받는 열량)의 비중이 커졌다가, 약 100 초 이후 Q wall (벽면으로 받는 열량)이 지배적이 게 된다. 압력평형시간까지 총 열손실량은 약 89,500 kJ로 나타나며, 이는 Case A 열손실량보다 약 10,000
kJ 보다 적은 양이다.
Fig. 7은 Case B에서 탱크 벽면, 냉각수 및 압력평 형배관에서의 열손실 비율(Q i /Q sum ×100)을 나타낸다.
과도초반에는 Case A와 마찬가지로 Q CW (냉각수가 받 는 열량)이 열손실비율이 가장 높지만, 대략 100 초 이후 Q wall (벽면으로 받는 열량)이 지배적이게 된다.
3-4. 각 case 열손실 비교 결과
Fig. 8은 각 Case 조건에서의 벽면 열손실(Q wall )의 시간에 따른 변화경향을 비교하여 나타낸 그래프이다.
벽면 열손실은 전 구간에서 Case B가 Case A비해 상 대적으로 크게 나타났으며, 압력평형시간을 기준으로 Case B의 벽면 열손실량은 약 62,000 kJ이며, Case A 의 벽면 열손실량은 약 76,000 kJ이다.
Fig. 9는 각 Case 조건에서의 냉각수로의 열손실
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
2 4 6 8 10 12
D if fer ent ia l pr es s u re ( M Pa)
Time (sec)
Case A Case A 1/5
Fig. 11. The comparison of wall thickness on pres-
sure in Case A0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 24000
Q
CW(kJ )
Time (Sec)
Case A Case B
Fig. 9. The comparison of case on the heat loss in
cooling water0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 110000
Q
sum(kJ)
Time (sec) Case A
Case A 1/5
Fig. 10. The comparison of wall thickness on heat
loss in Case A(Q cw )을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. Case B 조 건에서 냉각수로 전달된 열손실량은 Case A 조건에서 보다 크게 나타난다. 이는 밸브 개도량이 큰 경우 많은 양의 증기가 탱크 중앙부에 집중적으로 분사되므로 냉 각수가 받는 열량이 크게 나타난다. 압력평형시간을 기 준으로 Case B의 냉각수에 의한 열손실량은 약 16,400 kJ이며, Case A의 열손실량은 약 9,600 kJ이다.
4. 열손실 분석을 통한 압력평형시간 예측
4-1. 압력평형시간 예측 방법
열손실 분석을 바탕으로 하여 탱크 두께가 기존에 비해 1/5로 얇아졌을 때 압력평형 시점을 예측하였다.
Hybrid SIT의 압력은 내부에너지와 밀접한 관련이 있 으므로 압력평형시점 예측은 개별효과시험 결과로부 터 SIT 압력과 m
ncsu
ncs(응축되지 않은 증기의 내부에 너지)의 관계를 이용하였다. 1/5 두께의 압력평형시간 예측에서는 기존 개별효과시험 결과와 비교하여 벽면 열전달량만 차이가 있다고 가정하고 다음과 같이 진 행하였다.
벽면 두께가 1/5로 감소하였을 경우 벽면열손실을 계산하였으며, 냉각수 및 배관에서의 열손실은 시험 결과를 이용하였다. 1/5 두께에서 m ncs u ncs 을 식 (4)를 이용하여 계산하였다. 시험 결과의 m ncs u ncs 와 SIT의 압력 관계식을 이용하여, 1/5 두께의 m ncs u ncs 로부터 SIT 의 압력을 결정하였다. 압력평형시점까지 위의 과정을 반복하여 계산하였다.
4-2. 벽면 열손실 변화를 통한 압력평형시간 예측 Fig. 10은 1/5 두께에서 벽면열손실을 계산한 결과 와 Case A의 벽면열손실 시험데이터를 비교한 결과 이다. 1/5 두께의 결과를 살펴보면, 약 200 초 지점에 서 열량변화가 정상상태로 도달하지만 Case A의 결 과에서는 압력평형시점 이후에도 열손실량이 증가하 는 경향을 보였다.
Fig. 11은 1/5 두께의 벽면조건과 Case A 조건에서 의 압력변화경향을 비교한 것이다. Case A 조건에서 의 압력평형시간은 759 초이며, 1/5 두께의 압력평형 시간은 236 초로 나타났다. 1/5 두께가 되면서 벽면으 로의 열손실이 크게 감소하여, 압력평형시간이 단축된 것으로 판단된다. Fig. 12는 Case B의 벽면 열손실과 Case B에서 1/5 두께의 열손실량을 비교한 결과이다.
Case B의 압력평형시간은 456 초이며, 1/5 두께의 압
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0
2 4 6 8 10 12
